Анализ способов диспергирования сырья

Для разрушения оболочки зерна необходимо приложить немалые усилия. Величина разрушающих усилий зависит от культуры зерна, его состава, влажности, направления приложения усилий (по длине и ширине зерна) и колеблется от 9,4 до 31 МПа. В связи с неоднородностью строения зерна прочность отдельных слоев зерна различна.

Наиболее прочной является оболочка, так как она в основном состоит из клетчатки (целлюлозы), а также минеральных соединений, в том числе и солей кремневой кислоты.

Соотношение анатомических частей зерна пшеницы: плодовая и семенная оболочки составляют 5,5…7,5%; алейроновый слой 7,5…10%; зародыш 1,5…3%; эндосперм 81…83%.[36]

Эндосперм имеет мелкозернистое строение и состоит главным образом из крупных тонкодисперсных клеток с крахмальными зернами (гранулами), промежутки которых заполнены белком клейковины (комплекс белков глиадина и глютенина). Внутренний слой эндосперма богаче крахмалом и беднее белком. Содержание крахмала и клейковины различно не только в отдельных слоях эндосперма, но и в отдельных зернах. Эндосперм имеет тонкое и хрупкое строение. Он имеет наименьшую прочность из всех составных частей зерна. Консистенция эндосперма влияет на измельчение зерна. При измельчении пшеницы с мучнистым эндоспермом промежуточный белок отделяется значительно легче, освобождая крахмальные гранулы с прикрепленным к нему белком. Если же измельчается пшеница со стекловидным эндоспермом, то промежуточный белок разрушается вместе с прочно вкрапленными в него зернами крахмала. Разрушающие усилия при сжатии пшеницы с мучнистым эндоспермом значительно ниже, чем пшеницы со стекловидным эндоспермом. Наибольшее сопротивление эндосперм оказывает усилиям сжатия 1,7…3,2 МПа, сопротивление скалыванию 0,3..0,9 МПа.

Зародыш зерна в смысле прочности ведет себя иначе, чем оболочки и эндосперм. Вследствие значительного содержания жира (до 12-14% к его массе) в зародыше преобладает механическое свойство пластичности, ухудшающее условия разрушения, что проявляется при помоле или дроблении зерна. На механических машинах, работающих по принципу сдавливающих усилий, зародыш, как и алейроновый слой не дробится, а сплющивается.

Эндосперм окружен алейроновым слоем, состоящим из мельчайших клеток, которые содержат белковые и минеральные вещества и жир. Внутренняя поверхность каждой клетки этого слоя выслана плотной оболочкой. Алейроновый слой характеризуется значительными эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям. [35] Клетки алейронового слоя в процессе помола не разрушаются. Алейроновый слой, состоящий преимущественно из белков, характеризуется значительными эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям.

Составные элементы зерна обладают высокой механической прочностью. Но прочность зерна как комплексной конструкции зависит не только от количества и прочности отдельных частей, но и их взаиморасположения, структурно-механических свойств и взаимодействия. Если массу сухого вещества зерна пшеницы принять за 100%, то на долю эндосперма приходится приблизительно 80%, оболочки с алейроновым слоем 17,5%, и зародыша со щитком 2,5%. Крахмальные зерна и белковые вещества находятся в определенных морфологических взаимоотношениях. Около половины всех белковых веществ составляют основу - подложку, в которую включены крупные и мелкие крахмальные зерна. Крахмал - вещество кристаллической структуры, аналогичное клетчатке, которая в значительном количестве содержится в оболочке зерна. Белковые вещества имеют аморфную структуру.

Механические свойства зерна в значительной степени зависят от содержания в нем влаги. Сухое зерно ведет себя как хрупкое тело, влажное - как пластическое. Изменение механических свойств зерна в зависимости от влагосодержания связано с изменением коллоидных свойств содержащихся в нем крахмала и белков.

Целлюлоза и гемицеллюлоза - главные составные части клеточных стенок: ими богаты оболочки и беден эндосперм. В межклеточных пространствах откладывается склеивающее вещество - пектин. В одревесневевших клеточных стенках роль цементирующего вещества играет лигнин, который скрепляет полисахаридные структуры и заполняет пустоты между фибриллами (тончайшими волокнами) целлюлоз и гемицеллюлоз. Клеточные оболочки, инкрустированные лигнином, обладают большей устойчивостью, т.к. в дополнение к прочности на растяжение, которую придают им целлюлозные микрофибриллы, они приобретают еще значительную прочность на сжатие.

При действии нагретого воздуха давлением 0,12-0,18 МПа на зерновую массу, находящуюся в герметически закрытой камере, в зерне возникают высокие напряжения. При соединении полости этой камеры с наружным воздухом происходит перепад давления, который вызывает резкое изменение структуры зерна, и растительные клетки разрываются. Крахмальные зерна, заключенные в клетках эндосперма, под давлением сильно набухают. Линейное расширение зерен при этом достигает 2 - 2,5, а объем их увеличивается в 8 - 10 раз, т.е. зерна сильно вспучиваются [21].

Однако такая обработка целого зерна является очень энергоемкой и экономически невыгодной по сравнению с механико-ферментативной схемой водно-тепловой обработки, при которой крахмал извлекается из зерна путем измельчения последнего.

На спиртовых заводах зерно измельчают чаще всего с помощью молотковых дробилок различных конструкций или вальцовых станков. Степень измельчения зерна с помощью этих машин характеризуется проходом через сито с диаметром отверстий 1 мм 60-80%. Такой помол неоднороден по размерам частиц, поэтому мелкая часть его подвергается излишней тепловой обработке, образуется значительное количество продуктов оксиметилфурфурольной и меланоидиновой реакций, а крахмал крупных частиц не полностью переходит в растворимое состояние и вследствие этого имеются значительные потери сбраживаемых веществ.

На некоторых заводах для получения более высокодисперсных и равномерных помолов зерно измельчают в две стадии [20]. Первую стадию проводят на молотковой дробилке. Полученный помол пневматическим транспортом или системой механических транспортеров направляют на сита для разделения его на две фракции с различной крупностью частиц - более и менее 1 мм. Крупную фракцию помола (вторая стадия) подают для повторного измельчения на вальцовые станки.

Двухстадийный способ измельчения зерна позволяет получать более тонкий и равномерный помол. Однако использование двухстадийного способа усложняет технологическую схему, требует дополнительного оборудования и производственных площадей, увеличивает расход электроэнергии на измельчение зерна и транспортирование помола.

В связи с многообразием требований к измельчающим машинам и аппаратам создано значительное количество их конструкций, отличающихся принципом действия и устройством.

Для диспергирования материалов применяют следующие типы мельниц: шаровые; вибрационные; шаровые электромагнитные; реактивные; дезинтеграторы и дисмембраторы; ролико-маятниковые; струйные; ультразвуковые: биссерные; аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц и др. Экструзионная обработка зерна имеет принципиальные отличия от остальных методов диспергирования.

Шаровые мельницы просты по конструкции, надежны в эксплуатации, но громоздки и энергоемки. Продолжительность тонкого измельчения материалов в них составляет несколько часов (иногда и десятки).

Вибрационные мельницы значительно эффективнее по скорости измельчения шаровых, но также очень энергоемки. Установлено, что полученные высокодисперсные помолы зерна можно развивать при температуре 100 °С.

Шаровые электромагнитные мельницы двойного действия и реактивные более эффективны в работе, чем другие гравитационные и вибрационные мельницы: меньшие габаритные размеры и удельные затраты энергии, небольшая продолжительность пребывания измельчаемого материала в измельчительной камере.

Дезинтеграторы и дисмембраторы относятся к мельницам ударного действия. Исследования по использованию их для измельчения зерна показали, что можно получать помолы, степень измельчения которых характеризуется 100 %-ным проходом через сито с диаметром отверстий 1 мм. Одной из важных особенностей работы дезинтеграторов является то, что обрабатываемый в них материал подвергается механической активации. Активация веществ посредством большой механической энергии является новым прогрессивным видом совершенствования технологических процессов в различных отраслях промышленности. Дезинтеграторы могут иметь достаточно высокую производительность - 5, 10, 30 или 60 т/ч.

Ролико-маятниковая мельница с сепаратором применяется, в основном, для измельчения буровых материалов, кокса, известняка и удобрений, а также зернового сырья. Измельчение материала в этой мельнице происходит путем раздавливания его роликами в процессе качения их по специальному кольцу. Под действием центробежной силы ролики оказывают на поверхность размольного кольца, а следовательно, и на размалываемый материал давление 130-190 МПа. С помощью сепаратора, помещенного над мельницей, можно регулировать дисперсность помола.

Струйные мельницы просты по устройству. Измельчение материала в них осуществляется при столкновении встречных потоков частиц материала или при их ударе об отбойную плиту. Кинетическая энергия частицам передается потоком воздуха или пара. При измельчении зерна можно использовать только сухой сжатый воздух, при его высокой влажности потребуются специальные устройства для удаления влаги.

Ультразвуковые мельницы применяют для получения высокодисперсных суспензий. Созданы они на основе цилиндрических магнито-стрикционных или пьезокерамических излучателей различных диаметров (от 76 до 250 мм). Обрабатываемые суспензии непрерывно проходят в аппарате через ультразвуковое поле высокой интенсивности. Работают они при заданных регулируемых давлениях и температурах на разных частотах: 4,8; 8; 16-18 кГц.

Биссерные мельницы применяют для получения высокодисперсных суспензий. Частицы суспензии измельчаются в них под действием истирающих и ударных воздействий мелющих тел.

Перспективными являются аппараты, в которых на обрабатываемую суспензию воздействует вихревой слой ферромагнитных частиц, который создается воздействием на них вращающегося электромагнитного поля. При этом исключается проскок необработанного материала при непрерывном его прохождении через аппарат.[20]

Экструзионный метод диспергирования заключается в продавливании расплава материала через отверстие в экструдере.

Основные физико-химические процессы, протекающие при экструзии: увлажнение и пластификация сырья, получение расплава биополимеров, денатурация белков и клейстеризация крахмала, структурирование расплава под действием сил сдвига и растяжения, его охлаждение и формование. Самое важное - получение расплава биополимеров, т.е. переход биополимеров в условиях экструзии в вязкотекучее состояние.

Экструзия отличается непрерывностью технологического процесса, низким удельным расходом энергии, небольшими капитальными затратами, малыми производственными мощностями, компактностью, универсальностью, высокой степенью механизации и автоматизации.[36]

Таким образом, экструзионный метод диспергирования сырья является новым перспективным методом, и особый интерес представляет выяснить, насколько глубокие изменения в физико-химических свойствах сырья протекают при обработке в экструдере-гидролизаторе.

При измельчениизернового сырья любым из рассмотренных методов происходит не только разрушение целостности структуры зерна и его клеток, но также и механохимическая деструкция высокополимерных соединений в его составе.